（工程热物理专业论文）cpc太阳能集热器的性能研究及凝结水辅助加热系统的分析.pdf

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c p c 型太阳能集热器。 分析了c r - c p c 型太阳能集热器内部的传热过程，给出了集热器瞬时集热效 率的表达式；利用f l u e n t 软件模拟研究了集热器内部的温度分布以及对集热器流 动工质出口温度影响的各种因素。 将c r - c p c 型太阳能集热器应用在发电机组的回热系统上。通过理论分析， 研究了太阳能集热器辅助加热凝结水的方法，以3 0 0 m w 机组为实例建立了太阳能 辅助加热凝结水的系统，部分替代回热系统的低压抽汽加热。分析计算了原始工 况机组的热力系统参数和热经济性指标，研究了辅助加热系统的热经济性；对太 阳能辅助加热系统的节能减排进行了分析。本文为太阳能在电厂回热系统中的应 用提供了一定的借鉴，具有一定的工程实践意义。 关键词：c p c 太阳能集热器；t r a c e p r o ；光学性能；辅助加热系统；热经济性 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t s o l a re n e r g ya sa l li n e x h a u s t i b l e ，i n c e s s a n tu s ea n dr e n e w a b l ee n e r g y , w i l lb ea ta c r u c i a lp o s i t i o na sa na l t e r n a t i v ee n e r g yi nt h ef u t u r e s o l a re n e r g yc o l l e c t o r sa r ek e y p a r t si ns o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o n c o m p o u n dp a r a b o l i cs o l a re n e r g yc o l l e c t o r sa r eu s e d i nt h ef i e l do fm e d i u mt e m p e r a t u r e ，r t m i n gw i t h o u tat r a c k i n gd e v i c e ，w i l lh a v em o r e w i d e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec r - c p cs o l a re n e r g y c o l l e c t o ra n dt h ef h r - c p cs o l a re n e r g yc o l l e c t o rw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e dt h es o l a r c o l l e c t o r s a p p l i c a t i o ni nt h er e g e n e r a t i v es y s t e mo ft h ep o w e rp l a n t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eo p e r a t i n gr u l e so ft h es a i la n dt h ep a r a m e t e r sd e t e r m i n e d t h er a d i a t i o na tt h ef i r s t a n de s t a b l i s h e dt h e s o l a rr a d i a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e l ， c a l c u l a t e ds o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t ye v e r yh o u ro nt h ef o u rt y p i c a ld a y say e a ri nt h e w e s t e r nc i t yo fl a n z h o u t w oc o l l e c t o r sw e r eg i v e nt h ep a r a m e t e r so fe q u a t i o n s ，t h e s t r u c t u r eo ft h ec o l l e c t o r sw e l ea n a l y z e d t h es u nr a y si n s i d et h ec o l l e c t o rw e r et r a c k e d b yt h eo p t i c a ls o f t w a r et r a c e p r o o p t i c a lp a t hd i a g r a mi n s i d et h ec o l l e c t o r sa n dt h e e n e r g yf l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ec o l l e c t o ra b s o r b e r sw e r eo b t a i n e de v e r yh o u ro n f o u rt y p i c a ld a y s ，a n dt h e yw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec r - c p cs o l a re n e r g yc o l l e c t o rw a sb e t t e rt h a nt h ef h r - c p cs o l a re n e r g yc o l l e c t o r t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si n s i d et h ec r - c p cs o l a re n e r g yc o l l e c t o rw a sa n a l y s i s e d ， a n dg i v e dt h ef o r m u l ao fc o l l e c t o ri n s t a n t a n e o u st h e r m a le f f i c i e n c y u s i n gf l u e n t s o f t w a r es i m u l a t e dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h ec o l l e c t o ra n di n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h ef l o ww o r k i n go u t l e tt e m p e r a t u r e t h ec r - c p ct y p es o l a re n e r g yc o l l e c t o r sw e r eu s e di nt h er e g e n e r a t i v es y s t e mo f t h eg e n e r a t i n gu n i t s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em e t h o do fs o l a re n e r g yc o l l e c t o r s a u x i l i a r yh e a t i n gc o n d e n s a t e dw a t e rw a ss t u d i e d a3 0 0 m wu n i tw a sb u i l d e da sa n e x a m p l eo fs o l a re n e r g yc o l l e c t o r sa s s i s t e dh e a t i n gc o n d e n s a t e dw a t e rs y s t e m ，i no r d e r t or e a l i z ep a r t i a ls u b s t i t u t i o nl o w - p r e s s u r es t e a me x t r a c t i o nh e a t i n gc o n d e n s a t e dw a t e r s y s t e m t h e r m a lp a r a m e t e r so ft h es y s t e ma n dt h e r m a le c o n o m i ci n d e xo ft h ea u x i l i a r y h e a t i n gs y s t e mw e r ea n a l y s i s e da n dc a l c u l a t e di nt h eo r i g i n a lc o n d i t i o n t h e r m a l e c o n o m i co ft h e s o l a r e n e r g ya s s i s t e dh e a t i n gs y s t e m w e r e a n a l y s i s e n e r g y c o n s e r v a t i o na n dc a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o no ft h es o l a re n e r g ya s s i s t e dh e a t i n gs y s t e m w e r ea n a l y z e d t h i sp a p e rp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h es o l a re n e r g yu s e d i nt h er e g e n e r a t i v es y s t e mo ft h ep o w e rp l a n t , a n dh a ds i g n i f i c a n c eo fe n g i n e e r i n g 6 北京交通大学硕士学位论文 o r d s ：c p cs o l a re n e r g yc o l l e c t o r ；t r a c e p r o ；o p t i c a lp e r f o r m a n c e ； a u x i l i a r yh e a t i n gs y s t e m ；t h e r m a le c o n o m y n o ： 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 目录i 】【 1 绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 能源危机l 1 1 2 太阳能利用的重要意义j 1 1 1 3 太阳能利用状况3 1 1 4 太阳能集热器3 1 2 国内外研究现状6 1 3 本文的主要研究内容lo 2 太阳辐射的基本概念与辐射强度计算1 3 2 1 太阳常数。1 3 2 2 太阳角1 4 2 2 1 赤纬角1 5 2 2 2 时角15 2 2 3 太阳高度角16 2 2 4 太阳方位角1 6 2 2 5 太阳光入射角1 7 2 3 太阳辐射强度。1 8 2 3 1 大气层外水平面上的太阳辐射1 8 2 3 2 地表水平面上太阳辐射1 8 2 3 - 3 地表倾斜面上的太阳辐射1 9 2 4 兰州太阳辐射强度计算2 0 本章小结2 2 3 集热器的结构以及光学性能2 3 3 1 太阳能集热器结构2 3 3 2 1c r - c p c 型太阳能集热器2 3 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2f | 玎o c p c 型太阳能集热器。2 5 3 2 3 集热器的构造2 6 3 2 太阳能集热器的光学性能分析2 8 3 - 2 1t r a c e p r o 软件简介。2 8 3 2 2m o n t ec a r l o 光线追迹法原理2 8 3 2 3 计算模型2 9 3 2 4 光学路径分析3 3 3 2 5 能流密度分析3 8 、 3 3c r c p c 型集热器的集热效率4 8 3 3 1 光学效率4 9 3 3 2 集热效率4 9 3 3 3 集热量的计算：5 1 本章小结：5 1 4c r - c p c 型集热器的模拟分析：5 3 4 1f l u e n t 软件5 3 4 1 1 辐射模型5 4 4 1 2 模型选取：5 4 4 1 3 太阳加载模型5 5 4 1 4 太阳计算器。5 6 4 2f l u e n t 模拟分析。5 6 4 2 1 计算步骤5 6 4 2 2 结果分析5 7 4 3 出口温度影响因素5 8 本章小结6 1 5 太阳能集热器辅助加热系统6 3 5 1 机组简介6 3。 5 2 辅助加热方案6 6 5 3 集热器面积6 7 5 4 集热器连接方式6 8 5 5 集热器的倾斜角度6 9 目录 6 总结与展望7 5 6 1 总结7 5 6 2 展望7 6 参考文献7 7 作者简介8 0 独创性声明8 l 学位论文数据集8 2 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 能源危机 1 绪论 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基 础。目前，赖以提供热能的主要能源有煤炭、石油、天然气。随着生产的发展和 人们生活质量的提高，能源消费水平一直处于上升趋势，世界消耗的能量同益增 加，对煤炭、石油、天然气、电能以及洁净能源的需用量愈来愈大。尽管世界能 源储量很大，但必定有限，常规能源中不可再生能源又占很大比重。资料显示， 按现在的消费速度，世界煤炭储量再过4 0 0 余年，石油储量再过4 0 余年，天然气 再过6 0 余年将使用殆尽，世界范围内将出现能源枯竭的状况，人类面对严重的能 源危机。 随着中国国民经济的持续快速增长，能源消费量越来越大，我国已成为世界 第二大能源消费国，并成为世界上对能源依赖程度最高的国家之一。特别是近两 年，我国大部分地区，尤其是长江三角洲和珠江三角洲地区电力供应缺口较大， 能源短缺已成为制约经济与社会可持续发展的重要因素之一。我国还没有完全改 变“高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率 的粗放型经济增长方 式。高消耗换来的增长，导致废弃物排放多、环境污染严重。我国单位g d p 的废 水、固体废弃物排放水平大大高于发达国家。由于经济增长方式粗放，因此付出 的资源环境代价过大，加剧了能源、资源短缺的压力。另一方面，虽然我国能源 资源总量十分丰富，资源品种也较齐全，但是由于我国人口众多，人均能量资源 占有量严重低于世界平均水平，我国人均石油可采储量、人均天然气可采储量、 人均煤炭可采储量分别只为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 【l 】。如果不采取积 极主动的措施，我国将面临更为严峻的能源危机，我国的进一步发展必然受到限 制。 1 1 2 太阳能利用的重要意义 在能源供应总量不能满足需求的情况下，一方面采取节能措施，提高能源的 利用率；另一方面积极开发利用可再生能源。在各种可再生能源中，太阳能是最 北京交通人学硕十学位论文 重要的基本能源，它不仅“取之不尽，用之不竭”，而且还是分布广泛、无污染、 利用经济和清洁的能源。2 0 世纪7 0 年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太 阳能等可再生能源的热潮。美国、r 本、德国及一些发展中国家也纷纷制定了相 应的发展计划。联合国召开了一系列由各国领导人参加的高峰会议，讨论和制订 世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳 能等可再生能源的开发利用。开发利用太阳能成为国际社会的一大主题和共同行 动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。太阳能有着矿物能源不可比拟的 优越性。经测算表明，太阳每秒能够释放3 9 1 1 0 2 1 k w 的能量，而辐射到地球表 面的能量虽然只有它二十二亿分之一，但也相当于全世界目前发电量的8 万倍。 我国地域广阔，是太阳能资源丰富的国家之一，三分之二的地区年辐射总量 大于5 0 2 0 m j m 2 ，年日照时数在2 2 0 0 h 以上。尤其在大西北，更具有有效开发利用 的潜力【2 1 。根据我国气象部门测量太阳能年辐射的大小，一般将我国大陆部分划分 为四个太阳辐射资源带，四个太阳辐射资源带所包括的主要地区如表1 1 所示，表 中还给出了该地区的全年日照时数，以及太阳辐射年总量相当于燃标煤数。 表i - 1 太阳能资源分布 t a b l el - id i s t r i b u t i o no fs o l a re n e r g yr e s o u r c e 总起来说，如果能充分利用我国丰富的太阳能资源，对节约常规能源、减少 环境污染，将具有重大的经济意义和社会意义。 2 1 绪论 1 1 3 太阳能利用状况 太阳能利用方式可以分为太阳能光热利用、太阳能发电、太阳能光化利用、太 阳能光生物利用等1 3 】。 ( 1 ) 光热利用 太阳光能热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过光热效应转换成 热能加以利用，是目前技术最为成熟、成本最为低廉、应用最为广泛的太阳能利 用方式。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器 和聚焦型集热器等3 种。通常根据所能达到的温度和用途不同，而把太阳能光热 利用分为低温利用( 8 0 0 ) 。 低温利用主要有太阳能热水器、太阳房、太阳能干燥器、太阳能温室、太阳能空 调制冷、太阳能蒸馏器等；中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置 等；高温利用主要有高温太阳炉等。 ( 2 ) 太阳能发电 未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的形式有多种，目前 已经实施的有以下两种： 光热电转换，即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳集热器将 所吸收的热能转换为工质的蒸气，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一 过程为光热转换，后一过程为热电转换。 光电转换，其基本原理是利用光生伏打效应将太阳能辐射直接转换为电能， 它的基本装置是太阳能电池。 ( 3 ) 光化利用，这是一种利用太阳能辐射直接分解水制氢的光化学转换方式。 ( 4 ) 光生物利用，通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过 程。目前主要有速生植物( 如薪炭林) 、油料作物和巨型海藻等。 1 1 4 太阳能集热器 在几种太阳能的利用方式中，都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器 作为系统的动力或者核心部件。太阳能集热器是吸收太阳辐射并将所产生的热能 传递到传热工质的装置，是各种太阳能热利用系统的关键部件。 常见的太阳集热器有平板型太阳集热器，真空管太阳能集热器，以及聚焦型 太阳能集热器。 平板型太阳能集热器 平板型集热器作为一种非聚光型集热器是当今世界上应用最广泛的太阳能集 3 率以及反射被加热工质对外辐射的红外光波。 4 1 绪论 ， 图1 - 2 全玻璃真空管集热器 f i g 1 - 2a l l - g l a s sv a c u u mt u b es o l a rc o l l e c t o r 由于全玻璃真空管集热器热损低，寿命长，成本相对较低等优点，全玻璃真 空管太阳能热水器已经成为目前太阳能热水器市场的主角。虽然该集热管有诸多 优点，但是由于在实际运行时管内走水，若一根真空管破裂，整个系统会受影响， 因此将带有金属翅片的热管插入真空管内，并且金属片与内管表面相贴，即为改 进形式的玻璃真空集热管金属吸热体真空管集热器。 聚焦型太阳能集热器 平板型集热器获得的热量虽然很大，但是品质却不高；而聚光式太阳能是将 一定面积上的太阳能集中到更小的面积上( 例如光斑) ，因而获得高温的热能，也 称为优质热能。在需要高温热能的太阳能热利用系统，如需要高达摄氏几百度高 温热能的太阳能热发电系统，由于太阳辐射的能流密度低，平板型集热器达不到 所需的高温，必须设法提高其接收到的能流密度才能提高集热器的供热温度。 聚焦型集热器主要由聚光器和吸收器( 接收器) 组成，不同的聚光器与吸收 器组合，会组成多种形式的聚焦型集热器1 4 j ，如图1 3 所示。 。锥形驻热器 ( b 抛孝努丽集热嚣 c 簦麓l 獬、 ( d ) s l r r a 箍热嚣铆半圈牲肜壤热器 箍热敏c p c ) 一 蚴匆够拶, 能量，表面能流密度的提高也就意味着吸收表面面积的减少，相应的减少了热损 5 国内外对复合抛物面型集热器进行了大量的理论分析和实验研究，包括不同 6 1 绪论 形状的复合抛物面型集热器的焦点位置、焦平面光斑的宽度和亮度、接收器形状、 尺寸的选择、反射器不同的边界角对接受的能量及成本投入的比较分析、复合抛 物面型集热器各种材料的选择、朝向的影响等。若提高集热温度，就需要采用高 镜面反射率的反射材料，高吸收率、高导热率、低散热率的接收管等，这些都需 要较高的技术和高昂的造价，因此，如何降低成本、改进技术是目前所研究的焦 州6 】。 1 9 6 6 年，苏联的b k 巴兰诺夫和g k 苗尔尼可夫【7 1 ，美国的海因特伯格和r 温斯东以及1 9 6 7 年德国的m 帕洛克先后独立地提出了一种用于高能物理实验研 究的辐射探测器，其特点是可将探测器开口面上的包含在接受角内的投射辐射全 部反射到接受元件。当时尚处于冷战时期，传媒和信息的交流还很落后，而太阳 能利用也并不是热门的研究领域，故这种探测器至少在太阳能界并未引起注意。 到了上世纪中后期，由于太阳能引起重视，不少科学家开始转向太阳能研究。美 国的拉布尔和温斯东等物理学家将这种探测器作为聚光器应用于太阳能作了大量 深入的研究，并正式将原先各自以发明人命名的这种聚光器定名为复合抛物聚光 器。 1 9 7 6 年以色列j m g o r d o n 对f h r - c p c 型太阳能集热器的性能进行较为详细 的研究【8 】，给出了集热器光学性能的解析式，认为f h r c p c 集热器是传统平板集 热器的有力竞争者，文献已对这种集热器的性能进行了详细的讨论，认为它能廉 价地提供6 0 1 0 0 的热水。 刘惠忠对f h r - c p c 型聚光器的端部阴影进行了理论分析【9 】，借助光线追踪法， 将设计接受半角以外，聚光器的平均反射数的追踪值和理论计算值做了比较，发 现在设计接受半角以外，理论分析法不能代替光线追踪法。 雕聪t c h i n d a 1 0 1 对吸收器是平板式的复合抛物面型集热器进行研究，提出了换 热数学模型，研究了空气流量、风速和吸收器长度对集热器的影响。 h u s s e i nh m s 等人进行了平板式太阳能集热器中的热管优化的研刭1 1 l ，对影响 热管平板式太阳能集热器瞬时效率的因素进行了分析，包括太阳辐照度、入口冷 却水温度，吸热板温度和厚度、冷凝段长度。试验结果指出，热管之间的距离影 响着具有高冷凝端传热系数的吸热板的选择，并对冷凝端的传热关联式进行了模 拟总结。 s r i t t i d e c h 介绍了脉动热管在全玻璃管真空管太阳能集热器中的应用2 】，系 统分为三个部分，即圆形玻璃管，绝热段和冷凝储水箱。结合热管的优越特性， 集热器集热效率达到7 6 ，并且系统结构简单、无腐蚀性、消除了冬季结冰的问 题。 7 管集热器的优越性【l 引，开发了一种c p c 热管式真空管太阳能集热器，给出了聚光 镜和接收器的结构设计，并对集热器进行了传热分析。指出该集热器的优点： 聚光器的右半支抛物线的焦点靠近左半支抛物线的起点，远离吸热面，使聚集光 线在吸热圆上分布合理，不易形成焦斑，从而不易损坏集热管；集热体采用热 管式真空管可以大幅度降低集热器的热损失；在高温时的性能，c p c 热管式真 空管集热器优于热管式真空管集热器。 西北工业大学张晓东针对具有平面吸收体的复合抛物面型集热器建立了试验 装置【1 9 1 ，对此c p c 太阳集热器吸收体平面上的光、热性能进行了试验研究。结果 表明，所设计的c p c 集热器具有良好的聚光能力。分析了吸收体平面上的温度数 值分布及影响因素并在三维空间内用射线跟踪法进行了模拟，从而为c p c 集热器 吸收体温度的进一步研究提供参考。 成珂 2 0 l 通过把集热器入射面作为太阳辐射的入射起始面，以蒙特卡洛法为基 础模拟太阳辐射。通过考虑直射辐射、散射辐射、太阳辐射的光谱分布以及太阳 辐射张角等影响因素，研究了模拟射线的辐射位置、辐射方向、波长分布及辐射 能量的相关算法，并进行了数值计算验证。研究综合考虑了影响太阳辐射的因素， 8 1 绪论 准确模拟了进入集热器入射面的太阳辐射，为太阳集热器精确的辐射分析提供了 基础。 郑宏飞【2 1 】阐述了复合抛物面的结构设计原理，介绍了三类增加c p c 最大聚光 角的方法，平移、截低和旋转，给出了各方法中最大聚光角随几何尺寸变化的计 算公式。对不同聚光比的实际c p c ，给出了在三类方法变化情况下，最大聚光角 增量随几何变量的变化曲线，并对影响c p c 最大聚光角变化的关键因素进行了讨 论与分析。 清华大学李臻 2 2 1 等人对由镜面反射为主但是存在一定漫反射的复合抛物面聚 光器( c p c ) 反射面构成的集热器，在存在太阳散射情况下进行了光吸收性能的分 析，比前人只考虑集热器镜面反射和太阳光直射更加接近实际情况。方法是在利 用光线追踪法对c p c 反射面的镜面反射进行分析的基础上，结合辐射度算法定量 计算了c p c 反射面的漫反射和太阳光的散射分量对集热器的光学性能的直接影 响。并通过c p c 集热器瞬时效率测试验证了理论的正确性。通过该理论，可以在 更接近实际的情况下对c p c 集热器进行光学设计和计算，具有实际的应用价值。 李业发利用光线跟踪法对配有多根真空管的复合抛物面集热器( c p c ) 各构件 在不同入射角下吸收光能的情况进行了理论分析，对计算结果的合理性作了讨论， 并进行了实验研究田j 。 任云峰等人将复合抛物面聚光器( c p c ) 和热管平板式集热器相结创2 4 】，研究了 一种以平面形吸热板为接收器的c p c 型热管式太阳能集热器；采用碘钨灯模拟太 阳光辐射，在不同辐射强度下，对c p c 型热管式太阳能集热器和普通热管平板式 太阳能集热器的集热温度、瞬时效率、平均效率及平均热损系数等热性能进行了 对比实验研究；研究结果表明：与普通热管平板式太阳能集热器相比，c p c 型热 管式太阳能集热器不但提高了集热温度和集热效率，而且降低了热损失。这一研 究结果为太阳能集热器的进一步发展提供了有意义的参考。 杨小风【2 5 】等为了便于太阳能集热器的选择，对多种集热器：平板型集热器、 c p c 平板型集热器、真空管集热器、c p c 真空管集热器和c p c 真空管热管式集热 器的性能进行了计算、分析和比较，并分析了他们各自的特点及适用范围。经分 析中温时平板的热损失数最大，c p c 平板次之，c p c 真空管介于真空管与c p c 热 管之间。 孟华【2 6 】等对c p c 接受面上光强分布及其影响因素进行了理论和实验研究，将 太阳辐射的高斯模型与射线跟踪法相结合，提出一种计算c p c 聚光接受面上光强 分布的新方法，并对其影响因素进行计算研究和实验验证，表明该方法切实可行。 徐学松通过对c p c 型热管式集热器进行的传热分析和相关的试验【2 7 】，给出了 内聚光c p c 热管集热器的总热损系数、效率的计算方法，并测定了它的效率曲线， 北京交通大学硕士学位论文 试验结果与理论计算值符合很好，所分析的c p c 型热管式真空集热器的通用模型， 对于各种形状c p c 型热管式真空集热器所推导出的计算式都是适用的，对于改进 集热器设计和集热器性能都具有一定的参考价值。 哈工大刘颖【2 8 】等采用光线跟踪法对旋转抛物面型聚光器进行光路分析，应用 蒙特卡罗法计算焦平面上的能流密度分布，分别考虑了聚光器表面形状误差、跟 踪误差、接收器位置误差、接收器遮挡作用、漫反射和不同张角的影响，并通过 实例计算证明了该方法的正确性；为系统的优化设计和接受面处能流密度的测量 提供了理论依据。 现阶段c p c 型太阳能集热器已经被广泛的应用于热水、供暖、太阳能光催化 废水处理、太阳能光伏发电、太阳能海水淡化、太阳能制氢、聚焦式复合光电光 热( p v 厂r ) 太阳能系统等领域。从8 0 年代中期开始，南加利福尼亚的陆茨( l u z ) 公司生产并投入运行的有1 0 座太阳能电站，装设抛物线一圆柱面的聚光器，单机 功率由最初的1 3 8 m w 增加到3 5 0 m w 。但是随着美国保障太阳能电站不亏损政策 的废止，陆茨公司倒闭，建设这类新型太阳能电站也被禁止【2 9 】。 s d o d e h 对用于太阳能发电的抛物槽型集热器( p t c ) 进行了建模分析【3 0 1 ， 采用真空管作为吸收器，集热器内的工质并未采用常用的油，而是采用水。并且 还建立了水在集热器中流动的两相流模型，研究表明采用水作为工质热损失要小 于采用油作为工质，集热器效率超过7 0 。 上海交大王如竹等人将太阳能吸附式制冷系统应用在建筑物中【3 1 1 ，该系统真 空管太阳能集热器阵列的面积为1 5 0 m 2 ，实验表明太阳辐射强度在很大程度上影响 着太阳能吸附式制冷系统的性能，制冷量增加的同时必须增加太阳能集热器的面 积，才能满足负荷要求。 西安交通大学郭烈锦介绍太阳能制氢技术【3 2 1 ，指出氢可以利用太阳能等可再 生能源来制取，利用太阳能热化学反应循环制氢是一种高效、经济的制氢方式， 并预言利用太阳能制氢是未来研究的方向。 对于中高温线聚焦型太阳能集热器，国外早已市场化，目前的研究还没有将 聚焦型太阳能集热器应用在电厂回热系统中，部分替代抽汽进行辅助加热凝结水， 提高热效率。 1 3 本文的主要研究内容 复合抛物面( c p c ) 可以和不同形状的接收器组成多种太阳能集热器，以满足 不同场合的需要。本文将围绕两种形式的太阳能集热器，即c r - c p c 型太阳能集 热器和f h r - c p c 型太阳能集热器，对其性能进行比较，并将太阳能集热器应用在 1 0 1 绪论 电厂的回热系统上，构建太阳能辅助加热凝结水系统，试图降低机组发电煤耗。 论文的主要内容如下： ( 1 ) 采用理论分析的方法，分析太阳的运行规律和确定太阳位置的参数( 赤 纬角、时角、太阳高度角、太阳方位角、太阳光入射角等) ；依据太阳辐射的相关 知识，建立太阳辐射计算模型；并根据西部城市兰州的地理位置计算出该地区一 年中四个典型日各时刻的太阳辐射强度； ( 2 ) 建立c r - c p c 型太阳能集热器和f h r - c p c 型太阳能集热器截面的参数 方程，对影响集热器性能的接受半角进行分析；对组成集热器的各部分结构，透 明盖板、反射面和吸收体分别进行讨论； ( 3 ) 采用光学软件t r a e e p r o 对两种形式的集热器进行模拟，分别得到集热器 在一年中四个典型日中各时刻的集热器内部光线路径图和吸收体上的能流密度分 布图，比较两种集热器的集热性能； ( 4 ) 应用传热学原理，分析太阳能集热器的传热过程，并给出集热性能较优 的太阳能集热器的集热效率； ( 5 ) 利用f l u e n t 软件对集热器内部温度分布进行模拟研究，并研究太阳辐射 强度和工质入口流速对集热器出口温度的影响规律； ( 6 ) 提出太阳能集热器辅助加热凝结水方案，以3 0 0 m w 机组为例，建立太 阳能辅助加热凝结水系统，对系统的节煤效益和环保效益进行分析，初步探索太 阳能在电厂燃煤发电机组中的应用。 2 太阳辐射的基本概念与辐射强度计算 2 太阳辐射的基本概念与辐射强度计算 太阳辐射是指从太阳圆球面向宇宙空间发射的电磁波。太阳是离地球最近的 一颗恒星，距离我们约1 5 1 0 8 k m 。它是一个巨大而炽热的等离子体，几乎呈球 形，直径为1 3 9 1 0 6 k m ，是地球直径的1 0 9 倍。太阳的质量为1 9 8 9 1 0 2 7 t ，为 地球质量的3 3 万倍【3 3 】。太阳的平均密度为1 4 9 c m 3 ，比水重近5 0 。 太阳发射出来的总辐射能量大约为3 7 5 1 0 2 哳，是极其巨大的。但是只有2 2 亿分之一到达地球。到达地球范围内的太阳总辐射量大约为1 7 3 1 0 4 亿千瓦。其 中：被大气吸收的太阳辐射能大约为4 0 x1 0 4 亿千瓦，占到达地球范围内的太阳辐 射能量的2 3 ；被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的太阳辐射能大约为5 2x1 0 4 亿千瓦，占3 0 ；穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8 1 1 0 4 亿千瓦， 占4 7 。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的大约为1 7 1 0 4 亿千瓦，大约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的1 0 。形象地说，到达地球 陆地表面的这1 7 x1 0 4 亿千瓦能量，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产 生的总能量的3 5 万倍【3 4 1 。在陆地表面所接受的这部分太阳辐射中，被植物吸收的 仅占0 0 1 5 ，被人们利用作为燃料和食物的仅占0 0 0 2 ，已利用的比重微乎其微。 可见，利用太阳能的潜力是相当大的，开发利用太阳能为人类服务是大有可为的。 2 1 太阳常数 在日地平均距离处，单位时间内投射到地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位 面积上的太阳辐射能( 即太阳辐射能流密度或太阳辐照度) ，通常认为是一个定值， 称为太阳常数，它是太阳辐射计算的基础数值，用符号e s c 表示。 1 9 5 6 年以前，由于世界各地采用的测量仪器的不同、精度不等，对太阳常数 并无统一的规定；1 9 5 7 年的国际辐射会议经过讨论，将太阳常数值定为 1 3 8 4 k w m 2 ：1 9 7 1 年，泰卡克拉( t h e k a c k a r a ) 和杜冉蒙( d r u m m o n d ) 根据宇航 飞船、人造卫星等高空观测日射资料的分析结果，提出将太阳常数的值定位 1 3 5 3 k w m 2 ：1 9 8 1 年，在世界气象组织仪器和观测方法委员会第八届大会上，经 过讨论后建议将太阳常数的值定位( 1 3 6 7 + 0 0 0 7 ) k w m 2 ，其精度提高到士0 5 【3 5 】。 其实太阳常数并非定值，它随着日地距离的变化而变化。事实上，地球绕太 阳公转的轨道是一个椭圆，太阳位于其中的一个焦点上。1 月1 日日地距离最小， 7 月1 日日地距离最大，只有4 月初和l o 月初才等于日地平均距离，如图2 1 所 示。 1 3 总等于太阳常数 意义为某天到达 化可由下列公式 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 口为角度参数，r a d ： 以为一年中的日期序号，1 月1 日，n - 1 ，1 月2 日，n - - 2 ，以此类推，需 要注意的是闰年的2 月以后应多加一天。 表2 1 每月1 日的太阳常数修正系数( 平年) t l b l e2 1m o n t h l yo i lt h e1 s t